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近日，一支由中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)院大學(xué)、齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）等科研機構的研究人員組成的研究團隊在Scientific Reports期刊上發(fā)表了基于大面積InGaAs/InP PIN結構的高性能可見(jiàn)光-短波紅外（SWIR）柔性光電探測器的最新論文，這種穩定、高性能的新型光電探測器有望應用于柔性寬光譜檢測。

圖1 器件制造示意圖：（a）制造工藝流程圖。（b）基于ITO-PET柔性襯底制造的InGaAs PIN柔性光電探測器的橫截面結構。

柔性光電子器件的新興應用在柔性成像/顯示屏、傳感器、短距離數據通信、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。作為柔性光電系統不可或缺的組成部分，柔性光電探測器（PD）在紫外（UV）、可見(jiàn)光（VIS）、近紅外（NIR）等窄帶區域光響應和寬帶光響應方面得到了廣泛的研究和突破。

雖然可見(jiàn)光或近紅外有機基光電探測器已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但也存在一些關(guān)鍵瓶頸，如大帶隙、弱吸收以及近紅外區域電荷生成不良等，導致其性能較差。

近年來(lái)，基于無(wú)機材料與有機襯底相結合的多光譜光電探測器技術(shù)取得了重大進(jìn)展，它們充分利用了無(wú)機材料的高性能和有機材料的機械柔韌性。采用寬帶隙的氧化鋅（ZnO）、銦鎵鋅氧化物（InGaZnO，IGZO）和氧化鎵（Ga₂O₃）的柔性紫外光電探測器展示了良好的光響應性能和柔韌性。無(wú)機半導體納米線(xiàn)（NW）和石墨烯、過(guò)渡金屬二鹵化物（TMDC）等2D材料也被應用于柔性光電探測器中，由于其獨特的電子結構、易于制造、寬光譜吸收和柔韌性，在紫外到近紅外范圍內取得了巨大進(jìn)展。

特別是基于有機襯底的TMDC，如PET上的二硫化鉬（MoS₂）、二硒化鎢（WSe₂）或紙上的MoS₂/WSe₂，實(shí)現了先進(jìn)的柔性可見(jiàn)光探測器，該探測器具有高響應性和量子效率、制備方案成本低、器件制備面積大的優(yōu)點(diǎn)。此外，TMDC、IGZO和硅（Si）基材料已經(jīng)實(shí)現了寬帶光探測，通過(guò)利用不同的超結構（superstructure）或納米結構進(jìn)行表面“裝飾”來(lái)增強對光的吸收。

然而，利用上述材料實(shí)現的柔性光電探測雖然能夠覆蓋紫外、可見(jiàn)光和近紅外，但對短波紅外沒(méi)有響應。上述光電探測器的響應時(shí)間超過(guò)毫秒，無(wú)法應用于柔性通信設備、生物標志檢測等高速檢測。

眾所周知，砷化銦鎵（InGaAs）合金是高速電子器件、紅外光電探測器和激光器有源區的關(guān)鍵部件。In_xGa_1-xAs光電探測器可以針對0.4 μm-3.6 μm光譜范圍內的任何波長(cháng)進(jìn)行優(yōu)化。In_0.53Ga_0.47As與磷化銦（InP）晶格匹配。In_0.53Ga_0.47As的帶隙為0.74 eV，覆蓋1310 nm和1550 nm低損耗通信應用波長(cháng)。In_0.53Ga_0.47As的電子遷移率為12000cm2/Vs，接近Si的10倍。結合目前成熟的III-V半導體器件制造技術(shù)，In_0.53Ga_0.47As/InP光電探測器已在夜視、檢測、農業(yè)分揀等領(lǐng)域得到廣泛應用和商業(yè)化。

圖2 InGaAs柔性薄膜光電探測器和InGaAs剛性光電探測器在300K時(shí)的響應光譜。

因此，在本論文中，通過(guò)使用犧牲層將外延層從其原生襯底上剝離并將其轉移到柔性主載體上，作者們實(shí)現了探測率為5.18×1011cm·√Hz/W的柔性InGaAs薄膜光電探測器。他們采用側壁鈍化簡(jiǎn)化了InGaAs光電探測器的制造工藝，獲得了工作波長(cháng)為640至1700nm的大面積柔性光電探測器，其對1550 nm的短波紅外的響應速度快到足以達到MHz響應水平。此外，這種柔性光電探測器的光電性能在彎曲狀態(tài)下保持穩定，作者們對其物理機制也進(jìn)行了詳細研究。作為一種具有傳統剛性光電探測器高性能的基于III-V材料的柔性光電探測器，人們可以設想它將在從可見(jiàn)光到短波紅外范圍的新型生物集成光電系統、柔性消費電子產(chǎn)品和可穿戴傳感器中發(fā)揮重要作用。

圖3（a）柔性PET襯底上制造的大面積（3×3 mm2）InGaAs光電探測器的放大視圖。

（b）測量原理和相應模型的示意圖。

（c, d）制造的柔性InGaAs光電探測器分別在向上彎曲和向下彎曲測試中的示意圖。

圖4 彎曲條件下的柔性光電探測器表征：向上和向下彎曲條件下探測器的電流密度-偏置電壓（J-V）響應。

這項研究工作得到了中國國家自然科學(xué)基金（62004218、61991441）、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )（2021005）和中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項（XDB01000000）的資助。